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过冷Ga-In、Ga-Sn合金液体局域结构研究

赵晓林  
【摘要】:选取Ga-In、Ga-Sn合金为研究对象,利用振荡杯熔体粘度仪、X射线衍射仪、从头算分子动力学模拟和X射线吸收精细结构谱学对Ga-In、Ga-Sn合金液体的局域结构进行了研究,剖析了液态合金中团簇的构成并揭示了其演变规律。利用振荡杯粘度仪研究了不同成分Ga-In合金熔体的粘滞性,发现该合金在过热和过冷液态区间的粘度均随温度的降低而增大,在两个不同的温度区间,其粘度对温度的依赖性不同;在相同温度下,Ga-In合金熔体的粘度随In含量的增加而增大。通过计算Ga-In合金的过热熔体脆性和过冷熔体脆性,发现其过冷熔体脆性大于熔体脆性,并且脆性参数均大于1。研究了外加磁场对不同成分Ga-Sn合金熔体粘滞性的影响,同一磁场强度下,Ga-Sn合金熔体的粘度均随温度的降低而增大,且过热液态和过冷液态Ga-Sn合金的粘度随温度的变化速率不同;同一温度下,Ga-Sn合金熔体的粘度随磁场强度的增大而增大,并且磁场强度越高,Ga-Sn合金熔体的粘度增速越快。表明Ga-In和Ga-Sn合金液体由过热态向过冷态转变时,结构发生突变。利用X射线衍射和从头算分子动力学模拟技术,对Ga-In合金的液体结构进行了研究,发现液体由过热态向过冷态转变时,其结构发生突变。过热和过冷液态Ga-In合金中均存在Ga-Ga共价键,并且过冷液体中的共价键键长更长;降温过程中,在液相线温度附近,Ga-In熔体中团簇突然增大,有序度增加,但是原子平均最近邻配位数减小;最近邻原子间距随温度降低而增大,Ga原子和In原子的偏配位数均随着温度的降低而减小;随着In原子含量的增加,Ga-In合金熔体平均最近邻原子间距增大,原子间相互作用力增强,Ga原子和In原子的偏配位数及平均配位数均增大。利用X射线吸收精细结构技术对X射线衍射所得的Ga-In合金熔体团簇进行剖析,构建了过热液态及过冷液态Ga85.8In14.2合金与Ga90In1o合金中以In原子为中心的团簇模型,发现液体由过热态向过冷态转变时,液体中原子发生重排,最近邻原子间距增大,液态结构由高配位的多面体团簇向高对称性的低配位多面体团簇转变。尤其是过冷Ga85.8In14.2合金液体,中心In原子周围的配位Ga原子以x0y和y0z面为对称面呈对称排布。通过研究剖析了Ga-In合金液体中团簇的构成及演变规律,有助于人们从更微观的角度研究液态合金在过冷条件下的液-固转变。利用X射线衍射技术研究了Ga98Sn2和Ga91.6Sn8.4两种合金的液体结构的温度依赖性。随着温度的降低,在液相线温度附近,Ga-Sn合金液体结构发生突变,其相关半径和有序度呈反常变化;在过热和过冷液态区间内,其相关半径和有序度均随温度的降低而增加;过冷液体Ga-Sn合金的共价键较过热液体的强。利用从头算分子动力学模拟研究了Ga-Sn合金熔体局域结构,发现合金熔体的有序度随温度的升高而降低,同类原子间的相互作用比异类原子间相互作用强,熔体中部分Sn-Sn共价键在高温时断裂;Ga91.5Sn8.5和Ga95S n5合金熔体中均存在Ga-Ga、Sn-Sn共价键,但是,Ga91.5Sn8..5合金熔体中的共价键结构更加稳定并且各类原子间的相互作用力均较强。X射线吸收精细结构技术解析Ga-Sn合金熔体团簇结构发现,Ga91.6Sn8.4和Ga95Sn5合金熔体中Sn原子的配位结构相似,而Ga原子的配位结构表现出明显的差异,并且两种合金熔体中Sn原子的电子态结构差别显著。


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1 赵晓林;过冷Ga-In、Ga-Sn合金液体局域结构研究[D];山东大学;2015年
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